Evaluation of GFP Tag as a Screening Reporter in Directed Evolution of a Hyperthermophilic beta-Glucosidase

By applying a directed evolution methodology specific enzymatic characteristics can be enhanced, but to select mutants of interest from a large mutant bank, this approach requires high throughput screening and facile selection. To facilitate such primary screening of enhanced clones, an expression system was tested that uses a green fluorescent protein (GFP) tag from Aequorea victoria linked to the enzyme of interest. As GFP`s fluorescence is readily measured, and as there is a 1:1 molar correlation between the target protein and GFP, the concept proposed was to determine whether GFP could facilitate primary screening of error-prone PCR (EPP) clones. For this purpose a thermostable beta-glucosidase (BglA) from Fervidobacterium sp. was used as a model enzyme. A vector expressing the chimeric protein BglA-GFP-6XHis was constructed and the fusion protein purified and characterized. When compared to the native proteins, the components of the fusion displayed modified characteristics, such as enhanced GFP thermostability and a higher BglA optimum temperature. Clones carrying mutant BglA proteins obtained by EPP, were screened based on the BglA/GFP activity ratio. Purified tagged enzymes from selected clones resulted in modified substrate specificity.

Improved detection of lacZ reporter gene expression in transgenic epithelia by immunofluorescence microscopy

The bacterial lacZ gene is commonly used as a reporter for the in vivo analysis of gene regulation in transgenic mice. However, several laboratories have reported poor detection of beta-galactosidase (the lacZ gene product) using histochemical techniques, particularly in skin. Here we report the difficulties we encountered in assessing lacZ expression in transgenic keratinocytes using classic X-gal histochemical protocols in tissues shown to express the transgene by mRNA in situ hybridization. We found that lacZ reporter gene expression could be reliably detected in frozen tissue sections by immunofluorescence analysis using a beta-galactosidase-specific antibody. Moreover, we were able to localize both transgene and endogenous gene products simultaneously using double-label immunofluorescence. Our results suggest that antibody detection of beta-galactosidase should be used to verify other assays of lacZ expression, particularly where low expression levels are suspected or patchy expression is observed.

A synthetic xylanase as a novel reporter in plants

Transient gene expression assays are often used to screen promoters before stable transformation. Current transient quantification methods have several problems, including a lack of reporter gene stability and expense. Here we report a synthetic, codon-optimised xylanase gene (sXynA) as a reporter gene for quantitative transient analyses in plants. Azurine-crosslinked xylan (AZCL-xylan) was used as a substrate for assaying xylanase activity. The enzymatic nature of the protein allows for sensitive assays at the low levels of transgene protein found in transiently transformed tissue extracts. The xylanase (XYN) protein is stable, activity slopes are linear over long time periods and assays are cost-effective. Coupled with the GUSPlus reporter gene, the XYN reporter allows sensitive and accurate quantification of gene control sequences in transient expression systems.

Tintín: El reporter del segle XX

Treball de recerca realitzat per un alumne d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. L’objectiu d’aquest treball és veure de quina manera les historietes de Tintín reflecteixen l’època en què van ser elaborades i establir una relació entre la història i el còmic. La metodologia que s’ha emprat ha estat centrada principalment en dues tasques paral•leles i complementàries. D’una banda, l’estudi de la història del segle XX a partir de l’obra d’Eric Hobsbawm del mateix nom i d’altres fonts bibliogràfiques per tal d’adquirir una idea general sobre l’anterior segle. D’altra banda, l’anàlisi d’uns determinats aspectes dels còmics de Tintín. Aquests són: l’època en què va ser elaborat, una síntesi de l’argument, el recorregut geogràfic que fa Tintín, els conflictes i esdeveniments històrics - paral•lels a la realitat del moment- que hi apareixen, les problemàtiques contemporànies, i un comentari entorn de la documentació i les fonts d’inspiració usades per Hergé. Aquesta anàlisi es va dur a terme a partir d’una selecció de sis còmics del mateix període. En conclusió, veiem que realment existeix una relació entre els esdeveniments dels còmics i l’època en què van ser elaborats. Això ens permet també apropar-nos-hi i conèixer l’autor, Hergé, de qui podem dir que es basa en la realitat que l’envolta i en els esdeveniments del seu moment per elaborar els còmics.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Ultrasensitive reporter protein detection in genetically engineered bacteria.

We demonstrate the use of laser-induced fluorescence confocal spectroscopy to measure analyte-stimulated enhanced green fluorescent protein (egfp) synthesis by genetically modified Escherichia coli bioreporter cells. Induction is measured in cell lysates and, since the spectroscopic focal volume is approximately the size of one bioreporter cell, also in individual live bacteria. This is, to our knowledge, the first ever proof-of-concept work utilizing instrumentation with single-molecule detection capability to monitor bioreporter response. Although we use arsenic inducible bioreporters here, the method is extensible to gfp/egfp bioreporters that are responsive to other substances.

Detection of promoter activity by flow cytometric analysis of GFP reporter expression.

Low efficiency of transfection is often the limiting factor for acquiring conclusive data in reporter assays. It is especially difficult to efficiently transfect and characterize promoters in primary human cells. To overcome this problem we have developed a system in which reporter gene expression is quantified by flow cytometry. In this system, green fluorescent protein (GFP) reporter constructs are co-transfected with a reference plasmid that codes for the mouse cell surface antigen Thy-1.1 and serves to determine transfection efficiency. Comparison of mean GFP expression of the total transfected cell population with the activity of an analogous luciferase reporter showed that the sensitivity of the two reporter systems is similar. However, because GFP expression can be analyzed at the single-cell level and in the same cells the expression of the reference plasmid can be monitored by two-color fluorescence, the GFP reporter system is in fact more sensitive, particularly in cells which can only be transfected with a low efficiency.

Oxygen-sensing reporter strain of Pseudomonas fluorescens for monitoring the distribution of low-oxygen habitats in soil.

The root-colonizing bacterium Pseudomonas fluorescens CHA0 was used to construct an oxygen-responsive biosensor. An anaerobically inducible promoter of Pseudomonas aeruginosa, which depends on the FNR (fumarate and nitrate reductase regulation)-like transcriptional regulator ANR (anaerobic regulation of arginine deiminase and nitrate reductase pathways), was fused to the structural lacZ gene of Escherichia coli. By inserting the reporter fusion into the chromosomal attTn7 site of P. fluorescens CHA0 by using a mini-Tn7 transposon, the reporter strain, CHA900, was obtained. Grown in glutamate-yeast extract medium in an oxystat at defined oxygen levels, the biosensor CHA900 responded to a decrease in oxygen concentration from 210 x 10(2) Pa to 2 x 10(2) Pa of O(2) by a nearly 100-fold increase in beta-galactosidase activity. Half-maximal induction of the reporter occurred at about 5 x 10(2) Pa. This dose response closely resembles that found for E. coli promoters which are activated by the FNR protein. In a carbon-free buffer or in bulk soil, the biosensor CHA900 still responded to a decrease in oxygen concentration, although here induction was about 10 times lower and the low oxygen response was gradually lost within 3 days. Introduced into a barley-soil microcosm, the biosensor could report decreasing oxygen concentrations in the rhizosphere for a 6-day period. When the water content in the microcosm was raised from 60% to 85% of field capacity, expression of the reporter gene was elevated about twofold above a basal level after 2 days of incubation, suggesting that a water content of 85% caused mild anoxia. Increased compaction of the soil was shown to have a faster and more dramatic effect on the expression of the oxygen reporter than soil water content alone, indicating that factors other than the water-filled pore space influenced the oxygen status of the soil. These experiments illustrate the utility of the biosensor for detecting low oxygen concentrations in the rhizosphere and other soil habitats.

Response characteristics of arsenic-sensitive bioreporters expressing the gfp reporter gene

This paper describes the development of an analytical technique for arsenic analyses that is based on genetically-modified bioreporter bacteria bearing a gene encoding for the production of a green fluorescent protein (gfp). Upon exposure to arsenic (in the aqueous form of arsenite), the bioreporter production of the fluorescent reporter molecule is monitored spectroscopically. We compared the response measured as a function of time and concentration by steady-state fluorimetry (SSF) to that measured by epi-fluorescent microscopy (EFM). SSF is a bulk technique; as such it inherently yields less information, whereas EFM monitors the response of many individual cells simultaneously and data can be processed in terms of population averages or subpopulations. For the bioreporter strain used here, as well as for the literature we cite, the two techniques exhibit similar performance characteristics. The results presented here show that the EFM technique can compete with SSF and shows substantially more promise for future improvement; it is a matter of research interest to develop optimized methods of EFM image analysis and statistical data treatment. EFM is a conduit for understanding the dynamics of individual cell response vs. population response, which is not only a matter of research interest, but is also promising in the practical terms of developing micro-scale analysis.

Where microbiology meets microengineering: design and applications of reporter bacteria.

Bacteria have long been the targets for genetic manipulation, but more recently they have been synthetically designed to carry out specific tasks. Among the simplest of these tasks is chemical compound and toxicity detection coupled to the production of a quantifiable reporter signal. In this Review, we describe the current design of bacterial bioreporters and their use in a range of assays to measure the presence of harmful chemicals in water, air, soil, food or biological specimens. New trends for integrating synthetic biology and microengineering into the design of bacterial bioreporter platforms are also highlighted.

Tunable reporter signal production in feedback-uncoupled arsenic bioreporters.

Escherichia coli-based bioreporters for arsenic detection are typically based on the natural feedback loop that controls ars operon transcription. Feedback loops are known to show a wide range linear response to the detriment of the overall amplification of the incoming signal. While being a favourable feature in controlling arsenic detoxification for the cell, a feedback loop is not necessarily the most optimal for obtaining highest sensitivity and response in a designed cellular reporter for arsenic detection. Here we systematically explore the effects of uncoupling the topology of arsenic sensing circuitry on the developed reporter signal as a function of arsenite concentration input. A model was developed to describe relative ArsR and GFP levels in feedback and uncoupled circuitry, which was used to explore new ArsR-based synthetic circuits. The expression of arsR was then placed under the control of a series of constitutive promoters, which differed in promoter strength, and which could be further modulated by TetR repression. Expression of the reporter gene was maintained under the ArsR-controlled Pars promoter. ArsR expression in the systems was measured by using ArsR-mCherry fusion proteins. We find that stronger constitutive ArsR production decreases arsenite-dependent EGFP output from Pars and vice versa. This leads to a tunable series of arsenite-dependent EGFP outputs in a variety of systematically characterized circuitries. The higher expression levels and sensitivities of the response curves in the uncoupled circuits may be useful for improving field-test assays using arsenic bioreporters.

Analysis of the transcriptional activity of endogenous NFAT5 in primary cells using transgenic NFAT-luciferase reporter mice

Background: The transcription factor NFAT5/TonEBP regulates the response of mammalian cells to hypertonicity. However, little is known about the physiopathologic tonicity thresholds that trigger its transcriptional activity in primary cells. Wilkins et al. recently developed a transgenic mouse carrying a luciferase reporter (9xNFAT-Luc) driven by a cluster of NFAT sites, that was activated by calcineurin-dependent NFATc proteins. Since the NFAT site of this reporter was very similar to an optimal NFAT5 site, we tested whether this reporter could detect the activation of NFAT5 in transgenic cells.Results: The 9xNFAT-Luc reporter was activated by hypertonicity in an NFAT5-dependent manner in different types of non-transformed transgenic cells: lymphocytes, macrophages and fibroblasts. Activation of this reporter by the phorbol ester PMA plus ionomycin was independent of NFAT5 and mediated by NFATc proteins. Transcriptional activation of NFAT5 in T lymphocytes was detected at hypertonic conditions of 360–380 mOsm/kg (isotonic conditions being 300 mOsm/kg) and strongly induced at 400 mOsm/kg. Such levels have been recorded in plasma in patients with osmoregulatory disorders and in mice deficient in aquaporins and vasopressin receptor. The hypertonicity threshold required to activate NFAT5 was higher in bone marrow-derived macrophages (430 mOsm/kg) and embryonic fibroblasts (480 mOsm/kg). Activation of the 9xNFAT-Luc reporter by hypertonicity in lymphocytes was insensitive to the ERK inhibitor PD98059, partially inhibited by the PI3-kinase inhibitor wortmannin (0.5 μM) and the PKA inhibitor H89, and substantially downregulated by p38 inhibitors (SB203580 and SB202190) and by inhibition of PI3-kinase-related kinases with 25 μM LY294002. Sensitivity of the reporter to FK506 varied among cell types and was greater in primary T cells than in fibroblasts and macrophages.Conclusion: Our results indicate that NFAT5 is a sensitive responder to pathologic increases in extracellular tonicity in T lymphocytes. Activation of NFAT5 by hypertonicity in lymphocytes was mediated by a combination of signaling pathways that differed from those required in other cell types. We propose that the 9xNFAT-Luc transgenic mouse model might be useful to study the physiopathological regulation of both NFAT5 and NFATc factors in primary cells.

A 338-bp proximal fragment of the glucose transporter type 2 (GLUT2) promoter drives reporter gene expression in the pancreatic islets of transgenic mice.

The high Km glucose transporter GLUT2 is a membrane protein expressed in tissues involved in maintaining glucose homeostasis, and in cells where glucose-sensing is necessary. In many experimental models of diabetes, GLUT2 gene expression is decreased in pancreatic beta-cells, which could lead to a loss of glucose-induced insulin secretion. In order to identify factors involved in pancreatic beta-cell specific expression of GLUT2, we have recently cloned the murine GLUT2 promoter and identified cis-elements within the 338-bp of the proximal promoter capable of binding islet-specific trans-acting factors. Furthermore, in transient transfection studies, this 338-bp fragment could efficiently drive the expression of the chloramphenicol acetyl transferase (CAT) gene in cell lines derived from the endocrine pancreas, but displayed no promoter activity in non-pancreatic cells. In this report, we tested the cell-specific expression of a CAT reporter gene driven by a short (338 bp) and a larger (1311 bp) fragment of the GLUT2 promoter in transgenic mice. We generated ten transgenic lines that integrated one of the constructs. CAT mRNA expression in transgenic tissues was assessed using the RNAse protection assay and the quantitative reverse transcribed polymerase chain reaction (RT-PCR). Overall CAT mRNA expression for both constructs was low compared to endogenous GLUT2 mRNA levels but the reporter transcript could be detected in all animals in the pancreatic islets and the liver, and in a few transgenic lines in the kidney and the small intestine. The CAT protein was also present in Langerhans islets and in the liver for both constructs by immunocytochemistry. These findings suggest that the proximal 338 bp of the murine GLUT2 promoter contain cis-elements required for the islet-specific expression of GLUT2.

The debates of the Constitutional Convention of the state of Iowa, assembled at Iowa City, Monday, January 19, 1857. Being a full and complete report of the debates and proceedings, by authority of the Convention; accompanied, for purposes of reference, by a copious index of subjects, and remarks of members thereon. W. Blair Lord, reporter.

The two volume record of the debates that occured during the thirty-nine days it took to draft the third constitution of the State of Iowa.

An adenovirus-based fluorescent reporter vector to identify and isolate HIV-infected cells.

A procedure is described that allows the simple identification and sorting of live human cells that transcribe actively the HIV virus, based on the detection of GFP fluorescence in cells. Using adenoviral vectors for gene transfer, an expression cassette including the HIV-1 LTR driving the reporter gene GFP was introduced into cells that expressed stably either the Tat transcriptional activator, or an inactive mutant of Tat. Both northern and fluorescence-activated cell sorting (FACS) analysis indicate that cells containing the functional Tat protein presented levels of GFP mRNA and GFP fluorescence several orders of magnitude higher than control cells. Correspondingly, cells infected with HIV-1 showed similar enhanced reporter gene activation. HIV-1-infected cells of the lymphocytic line Jurkat were easily identified by fluorescence-activated cell sorting (FACS) as they displayed a much higher green fluorescence after transduction with the reporter adenoviral vector. This procedure could also be applied on primary human cells as blood monocyte-derived macrophages exposed to the adenoviral LTR-GFP reporter presented a much higher fluorescence when infected with HIV-1 compared with HIV-uninfected cells. The vector described has the advantages of labelling cells independently of their proliferation status and that analysis can be carried on intact cells which can be isolated subsequently by fluorescence-activated cell sorting (FACS) for further culture. This work suggests that adenoviral vectors carrying a virus-specific transcriptional control element controlling the expressions of a fluorescent protein will be useful in the identification and isolation of cells transcribing actively the viral template, and to be of use for drug screening and susceptibility assays.